《TCP/IP網(wǎng)絡(luò)編程》學習筆記 | Chapter 16：關(guān)于 I/O 流分離的其他內(nèi)容

分離 I/O 流

「分離 I/O 流」是一種常用表達。有 I/O 工具可區(qū)分二者，無論采用哪種方法，都可以認為是分離了 I/O 流。

2 次 I/O 流分離

之前有兩種分離方法：

第一種是第 10 章的「TCP I/O 過程」分離。通過調(diào)用 fork 函數(shù)復制出一個文件描述符，以區(qū)分輸入和輸出中使用的文件描述符。雖然文件描述符本身不會根據(jù)輸入和輸出進行區(qū)分，但我們分開了 2 個文件描述符的用途，因此，這也屬于「流」的分離。

第二種分離是在第 15 章。通過 2 次 fdopen 函數(shù)的調(diào)用，創(chuàng)建讀模式 FILE 指針（FILE 結(jié)構(gòu)體指針）和寫模式 FILE 指針。換言之，我們分離了輸入工具和輸出工具，因此也可視為「流」的分離。

分離「流」的好處

首先是第 10 章「流」的分離目的：

• 通過分開輸入過程（代碼）和輸出過程降低實現(xiàn)難度
• 與輸入無關(guān)的輸出操作可以提高速度

下面是第 15 章「流」分離的目的：

• 為了將 FILE 指針按讀模式和寫模式加以區(qū)分
• 可以通過區(qū)分讀寫模式降低實現(xiàn)難度
• 通過區(qū)分 I/O 緩沖提高緩沖性能

「流」分離帶來的 EOF 問題

第 7 章介紹過 EOF 的傳遞方法和半關(guān)閉的必要性。有一個語句：

shutdown(sock,SHUT_WR);

當時說過調(diào)用 shutdown 函數(shù)的基于半關(guān)閉的 EOF 傳遞方法。第十章的 echo_mpclient.c 添加了上述代碼，實現(xiàn)了半關(guān)閉。

但是還沒有講采用 fdopen 函數(shù)怎么半關(guān)閉。那么是否 可以針對輸出模式的 FILE 指針調(diào)用 fclose 函數(shù)呢？我們先試試。

服務器端：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>#define BUF_SIZE 1024int main(int argc, char *argv[])
{int serv_sock, clnt_sock;FILE *readfp;FILE *writefp;struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;socklen_t clnt_adr_sz;char buf[BUF_SIZE];serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));serv_adr.sin_family = AF_INET;serv_adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));bind(serv_sock, (struct sockaddr *)&serv_adr, sizeof(serv_adr));listen(serv_sock, 5);clnt_adr_sz = sizeof(clnt_adr);clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr *)&clnt_adr, &clnt_adr_sz);readfp = fdopen(clnt_sock, "r");writefp = fdopen(clnt_sock, "w");fputs("FROM SERVER: Hi~ client? \n", writefp);fputs("I love all of the world \n", writefp);fputs("You are awesome! \n", writefp);fflush(writefp);fclose(writefp);fgets(buf, sizeof(buf), readfp);fputs(buf, stdout);fclose(readfp);return 0;
}

客戶端：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#define BUF_SIZE 1024int main(int argc, char *argv[])
{int sock;char buf[BUF_SIZE];struct sockaddr_in serv_addr;FILE *readfp;FILE *writefp;sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));serv_addr.sin_family = AF_INET;serv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);serv_addr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));connect(sock, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr));readfp = fdopen(sock, "r");writefp = fdopen(sock, "w");while (1){if (fgets(buf, sizeof(buf), readfp) == NULL)break;fputs(buf, stdout);fflush(stdout);}fputs("FROM CLIENT: Thank you \n", writefp);fflush(writefp);fclose(writefp);fclose(readfp);return 0;
}

運行結(jié)果：

從運行結(jié)果可以看出，服務端最終沒有收到客戶端發(fā)送的信息。那么這是什么原因呢？

原因是：服務端代碼的 fclose(writefp); 這一句，完全關(guān)閉了套接字而不是半關(guān)閉。這才是這一章需要解決的問題。

文件描述符的的復制和半關(guān)閉

終止「流」時無法半關(guān)閉原因

上述服務器端程序2個FILE指針、文件描述符及套接字之間的關(guān)系：

讀模式FILE指針和寫模式FILE指針都是基于同一個文件描述符創(chuàng)建的。任意一個FILE指針調(diào)用fclose函數(shù)時都會關(guān)閉文件描述符，也就是終止套接字。

解決辦法：創(chuàng)建FILE指針前先復制文件描述符即可。

銷毀所有文件描述符后才能銷毀套接字。

針對寫模式FILE指針調(diào)用fclose函數(shù)時，只能銷毀與該FILE指針相關(guān)的文件描述符，無法銷毀套接字。

如上圖所示，調(diào)用 fclose 函數(shù)候還剩下 1 個文件描述符，因此沒有銷毀套接字。那此時的狀態(tài)是否為半關(guān)閉狀態(tài)？不是！只是準備好了進入半關(guān)閉狀態(tài)，而不是已經(jīng)進入了半關(guān)閉狀態(tài)。仔細觀察，還剩下一個文件描述符。而該文件描述符可以同時進行 I/O 。因此，不但沒有發(fā)送 EOF ，而且仍然可以利用文件描述符進行輸出。

復制文件描述符

與調(diào)用 fork 函數(shù)不同，調(diào)用 fork 函數(shù)將復制整個進程，此處討論的是同一進程內(nèi)完成對完成描述符的復制。當然，文件描述符的值不能重復，因此各使用一個整數(shù)值。此處的復制的含義：“為了訪問同一文件或套接字，創(chuàng)建另一個文件描述符”。

下面給出兩個文件描述符的復制方法：

#include <unistd.h>int dup(int fildes);
int dup2(int fildes, int fildes2);

成功時返回復制的文件描述符，失敗時返回 -1。

參數(shù)：

• fildes : 需要復制的文件描述符。
• fildes2 : 明確指定的文件描述符的整數(shù)值。向其傳遞大于 0 且小于進程能生成的最大文件描述符值時，該值將成為復制出的文件描述符值。

示例程序：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>int main(int argc, char *argv[])
{int cfd1, cfd2;char str1[] = "Hi~ \n";char str2[] = "It's nice day~ \n";cfd1 = dup(1);        // 復制文件描述符 1cfd2 = dup2(cfd1, 7); // 再次復制文件描述符，定為數(shù)值 7printf("fd1=%d, fd2=%d \n", cfd1, cfd2);write(cfd1, str1, sizeof(str1));write(cfd2, str2, sizeof(str2));close(cfd1);close(cfd2); // 終止復制的文件描述符，但是仍有一個文件描述符write(1, str1, sizeof(str1));close(1);write(1, str2, sizeof(str2)); // 無法完成輸出return 0;
}

運行結(jié)果：

C:\Users\81228\Documents\Program\TCP IP Project\Chapter 16>gcc dup.c -o dupC:\Users\81228\Documents\Program\TCP IP Project\Chapter 16>dup
fd1=3 , fd2=7
Hi~
It's nice day~ Hi~

復制文件描述符后「流」的分離

下面更改 sep_serv.c 可以使得讓它正常工作，正常工作是指通過服務器的半關(guān)閉狀態(tài)接收客戶端最后發(fā)送的字符串。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>#define BUF_SIZE 1024int main(int argc, char *argv[])
{int serv_sock, clnt_sock;FILE *readfp;FILE *writefp;struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;socklen_t clnt_adr_sz;char buf[BUF_SIZE];serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));serv_adr.sin_family = AF_INET;serv_adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));bind(serv_sock, (struct sockaddr *)&serv_adr, sizeof(serv_adr));listen(serv_sock, 5);clnt_adr_sz = sizeof(clnt_adr);clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr *)&clnt_adr, &clnt_adr_sz);readfp = fdopen(clnt_sock, "r");writefp = fdopen(dup(clnt_sock), "w");fputs("FROM SERVER: Hi~ client? \n", writefp);fputs("I love all of the world \n", writefp);fputs("You are awesome! \n", writefp);fflush(writefp);shutdown(fileno(writefp), SHUT_WR);fclose(writefp);fgets(buf, sizeof(buf), readfp);fputs(buf, stdout);fclose(readfp);return 0;
}

注意，無論復制出多少文件描述符，均應調(diào)用shutdown函數(shù)發(fā)送EOF并進入半關(guān)閉狀態(tài)。

調(diào)用shutdown函數(shù)時，無論復制出多少文件描述符都進入半關(guān)閉狀態(tài)，并發(fā)送EOF。

習題

（1）下列關(guān)于FILE結(jié)構(gòu)體指針和文件描述符的說法錯誤的是？

a. 與FILE結(jié)構(gòu)體指針相同，文件描述符也分輸入描述符和輸出描述符。
b. 復制文件描述符時將生成相同值的描述符，可以通過這2個描述符進行I/O。
c. 可以利用創(chuàng)建套接字時返回的文件描述符進行I/O ，也可以不通過文件描述符，直接通過FILE結(jié)構(gòu)體指針完成。
d. 可以從文件描述符生成FILE結(jié)構(gòu)體指針，而且可以利用這種FILE結(jié)構(gòu)體指針進行套接字I/O。
e. 若文件描述符為讀模式，則基于該描述符生成的FILE結(jié)構(gòu)體指針同樣是讀模式；若文件描述符為寫模式，則基于該描述符生成的FILE結(jié)構(gòu)體指針同樣是寫模式。

答：a、b、e。

（2）EOF的發(fā)送相關(guān)描述中錯誤的是？

a. 終止文件描述符時發(fā)送EOF。
b. 即使未完全終止文件描述符，關(guān)閉輸出流時也會發(fā)送EOF。
c. 如果復制文件描述符，則包括復制的文件描述符在內(nèi)，所有文件描述符都終止時才會發(fā)送EOF。
d. 即使復制文件描述符，也可以通過調(diào)用shutdown函數(shù)進入半關(guān)閉狀態(tài)并發(fā)送EOF。

答：a。